第3章 金属切削的变形过程

晶粒滑移示意图
滑移与晶粒伸长
• 卡片模型
• 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡
片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。
卡片模型
三、变形程度的表示方法
剪切角 剪应变 变形系数
1、剪切角
• 在相同切削条件下，剪切角越大，剪切 面积越小，切屑厚度越小，变形越小。 • 剪切角 可采用快速落刀实验获得切屑 根部照片再测量得到，比较麻烦。 o
s Fn av
Ff
粘结区内摩擦 切塑性金属时，切屑与前刀面间高温(几百度)、高压（2-3GPa） 使切屑底部与前刀面间发生粘结，亦称“冷焊”； 粘结区并非一般的外摩擦，而是粘结层金属与相邻切屑较上层之间
的晶粒相对剪切滑移，属内摩擦。
单位切向力 = 材料的剪切屈服极限s • 滑动区外摩擦 单位切向力由 s 逐渐减小到0。
2、剪应变
• 平行四边形OHNM剪切变形为OGPM，按剪应变即相对滑移关系有 • = s / y， 而 s = NP，y = MK 故
• =NP / MK = (NK+KP) / MK = ctg + tg(-0)
cos o sin Φ cos(Φ o )
剪切变形示意图
• 前角愈大，变形愈小。原因：前角影响切屑流出方向，影
响作用角。o愈大，愈小，角愈大，变形愈小。
第Ⅲ变形区： 刀工接触区。 已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶 粒进一步剪切滑移。 有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工 硬化和回弹现象。 三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三 个变形区内的变形又相互影响。
二、第一变形区内金属的剪切变形
设切削层中某点 P 向切削刃逼近，到1 点时切应力达到材料 剪切屈服强度 s（ = s ），1点向前移动的同时，也沿剪 切方向滑移，其合成运动轨迹从 1 点运动到 2 点而不是 2 点， 22是滑移距离 P 点继续逼近刀刃，由于 硬化现象，剪应力增大，
材料塑性越高，愈易形成积屑瘤。 实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤 高度Hb最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆 减小。
积屑瘤高度与切削速度的关系如下图，实际上也反映了 与温度的关系。
积屑瘤高度Hb与vc的关系
二、积屑瘤对金属切削过程产生的影响（P44） ：
（1）实际刀具前角增大; （2）实际切削厚度增大； （3）加工后表面粗糙度增大； （4）影响切削刀具的耐用度；
第Ⅱ变形区： 刀屑接触区 切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的 晶粒进一步剪切滑移。 特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前 刀面，有时有滞流层。 切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，由此摩擦产生 的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑 底部与刀具前刀面发生粘结现象。
晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶 格中晶面的滑移。
在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所以
可看成一个面—即剪切面。
剪切面
切屑 刀具

c
剪切面与切削速度之夹角 叫剪切角，以表示。

假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移，粒
变椭圆形，AB变为长轴AB；随剪应力增大，晶格纤维化，AB 成为纤维化方向 。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们 成一角。
三、积屑瘤的作用 有利方面： 可增大实际前角，减少变形和切削力； 可保护切削刃、降低刀具磨损。 不利方面：
积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落 ，反而加剧刀具磨损；
产生积屑瘤后使切削厚度增大ac值，影响工件尺寸精度； 当积屑瘤不稳定时，由于积屑瘤产生—成长—脱落周期动 态变化，易引起振动； 脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度，也易划伤刀具使 耐用度降低。
第Ⅰ变形区： 从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到 OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM 区域叫第一变形区。
是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移 ，伴随产生加工硬化。
第一变形区是金属切削变形过程中 最大的变形区，在这个区域内，金 属将产生大量的切削热，并消耗大 部分功率。此区域较窄，宽度仅 0.02～0.2㎜ 。
对切削过程有利。
二、前刀面上的摩擦
切削塑性材料时刀屑接触区的摩 擦示意图。可见，刀屑接触面分 两个区域：粘结区和滑动区。
切屑与前刀面摩擦示意图
刀具前刀面的摩擦特性
， 法应力 =s 剪应力，=
O
刀具
A
B
OA 粘结区 AB 滑动区
OA—粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的 AB—滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数
• 从前面第一和第二变形区的分析可知，变形和摩擦 是影响切削过程的关键。影响切屑变形的主要因素
可从以下四方面分析：工件材料、刀具参数、切削
速度和切削厚度
1、工件材料方面
• 工件材料强度愈高，切屑变形愈小。
• 原因：工件材料强度愈高， 减小，增大,变形系数减小。
工件材料强度对变形系数的影响
2、刀具方面
lf
2（3） > s 合成运动 第一变形区
4 > s 合成运动
4以后 无剪应力 前刀面 切屑
应力状态 流动方向 区 域
金属在第一变形区滑移过程
切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变成
切屑 (Chip) 的。 AOM区叫做第一变形区。 OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。
相对滑移存在。也只当ξ>1.5时， ξ与ε基本成正比。
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第三节
前刀面的挤压与磨擦及其对切屑变形的影响
根据前述，切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近 前刀面的切屑底层进一步变成第二变形区。 特征： 切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上
切屑发生弯曲；
刀—屑接触区温度升高； 第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第 一变形区金属的变形，影响剪切角的大小。
lfi lfo
图 切屑与前刀面的摩擦
一、作用在切屑上的力、剪切角与前刀面上摩擦角的关系
• 前刀面上：法向力Fn和摩擦力Ff；
• 剪切面上：正压力Fns剪切力Fs
• 两对力平衡。
作用在切屑上的力及其与角度关系
Fr 切削合力； Fn 与 Fr 的夹角，即摩擦角； =tg
为前刀面的摩擦系数
Fz Fr在切削运动方向的分力；Fy Fr与切削运动方向垂 直的分力。可由公式计算 切削合力Fr与剪切力Fs之夹角为 (+-0)，由材力知
(-0) 为切削合力 Fr 与切削速度方向的夹角，称作用角 ，以表示。
• 可得如下结论： • 前角 o 增大时， 增大，变形减小。故在保证刀 刃强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切 削力、温度、提高表面质量等）； • 摩擦角 增大时， 减小，变形增大。故提高刀 具刃磨质量、使用切削液可减小前刀面上的摩擦，
二、研究切削变形的实验方法
侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法
光弹性、光塑性实验法
其它方法，如：X射线衍射等
第二节 金属切削层的变形 一、 变形区的划分
• 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属的 滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向 线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区
四、抑制积屑瘤的措施
（1）降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象； （2）采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度； （3）调整刀具角度，增大刀具前角，减小刀—屑接触压力； （4）更换切削液，使用润滑性好的切削液和精研刀具表面， 降低磨擦 ； （5）提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
第五节 切屑变形的变化规律
金属切削过程中滑移线和流线示意图
三个变形区
第Ⅰ变形区：即剪切变形 区，金属剪切滑移，成为切屑 。金属切削过程的塑性变形主 要集中于此区域。
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生 变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主 要原因。
刀屑接触面上正应力 在刀尖处最大，逐渐减小到0。
三、影响前刀面摩擦系数的主要因素
工件材料：强度硬度增大， 减小（V不变时，温度升高） 切削厚度：切削厚度增大，正应力增大， 减小
切削速度： 低速，V大， 越大；高速，V大， 越小
刀具前角：o 增大，正应力减小， 越大
3、变形系数
由实验和生产可知，切屑厚度 ach 大于切削层厚度ac，切屑长度 lch 小 于切削层长度 lc。
长度变形系数L切削层长度lc与切屑长度lch之比L= lc/lch
厚度变形系数 a = ach/ ac 忽略切屑宽度的变化，有a=L= 大于1，值大表示切屑越厚越短，变形越大
一、积屑瘤的成因： 当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面 的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤 压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就 是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产 生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层 粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图所示。 积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且 也与刀刃前区的温度和压力有关。
s Fn av
Ff
切削速度：在不同v范围，影响不同。v
低时，温度较低，前刀面与切屑底层不 易粘结。粘结情况随速度的增大而发展

，使 增大；当 v 超过一定值时，温度
升高，使材料塑性增大，流动应力减小 ，故降低。
v
第四节
积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
积屑瘤 由于刀 屑接触面的摩擦，当切削速度不高 又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常 常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度 的2-3倍，这块金属被称为积屑瘤。叫积屑瘤。 形成原因： 高温、高压，粘结、冷焊
第三章 金属切削的变形过程
第一节 研究金属切削变形过程的意义和方法
一、研究金属切削变形过程的意义 • 金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下 多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被加工 工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形成切屑 而被切下来的过程。 • 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削 热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因是切削 过程中的弹性变形和塑性变形 • 金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研究。 是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提高生产 率和降低成本。
变形系数能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。
变形系数求法
变形系数、剪切角和剪应变的关系
ach cos( o ) ac sin
2 sin o 1 cos o
2
以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的， 既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性 。如=1时，ach=ac，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有
因 此 P 点 经 过 1—2—3—4 ，
到达 4 点时剪切滑移结束， 沿平行前刀面方向流出成 为切屑。
R1
R2
4 5° M 4 5° 4 5° 4 5° 4 3 4' B A 2 3' 1 P ＝ 2 '
c
＝
max
ac
s
O
位
置
P < s 切削速度v
切削层金属
1 = s 合成运动
特点
在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。
两个摩擦区
粘结区：高温高压使切屑 底层软化，粘嵌在前刀面高低 不 平 的 凹坑 中 ， 形成 长 度 为 lfi 的粘接区。切屑的粘接层 与上层金属之间产生相对滑移 ，其间的摩擦属于内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前刀 面之前，与前刀面只在一些突 出点接触，切屑与前刀面之间 的摩擦属于外摩擦。